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2020/06/15 기획 > 기획

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[랩 스토리] 나노바이오센서 연구실, 실시간 건강 상태 체크 ‘휴대형 음이온 센서’ 개발

[사랑한대] 다양한 나노 소재 합성·센서 감지 메커니즘 규명 등...기술혁신을 선도하는 '나노바이오센서 연구실'

한양커뮤니케이터E

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http://www.hanyang.ac.kr/surl/3WzSB

내용
실시간 건강 상태 체크 ‘휴대형 음이온 센서’ 개발 '나노바이오센서연구실'

누구나 건강한 삶을 바란다. 의료, 환경 분야 기술은 이런 소망과 함께 지속적으로 발전을 거듭해왔다. 그리고 모바일, 원격 진단을 비롯한 다양한 기술 개발을 토대로 앞으로는 더욱더 폭발적인 성장을 이룩할 것이다. 지금의 우리는 상상하지 못할, 새로운 기술의 시대. 한양대학교 나노바이오센서연구실은 그 새로운 시대를 앞당기는 데 이바지하고 있다.
 

연구실명 나노바이오센서연구실(NanoBioSensor Lab.)
연구 책임자 최선진 신소재공학부 교수
구성원 대학원생 2명, 학부연구생 2명

 
▲ 음이온 센서 측정 실험 모습
Q1. ‘나노바이오센서연구실(이하 연구실)’은 어떤 곳인가요?

A1.
한양대 나노바이오센서연구실(NanoBioSensor Lab.)의 비전은 혁신적인 센서 소재 및 플랫폼을 개발해 행복하고 건강한 세상을 만드는데 기여하는 것입니다. 다양한 나노 소재를 합성하고 과학적으로 센서의 감지 메커니즘을 규명함으로써 고감도 화학센서 소재를 개발하는 한편, 실시간으로 다양한 화학성분을 감지할 수 있는 센서 기술 확보에 노력하고 있습니다. 특히, 이렇게 개발된 화학센서는 건강 모니터링, 질병 진단용 센서로 활용할 수 있을 것으로 기대됩니다.

신소재 합성 과정을 통해 과학적인 분석기술을 습득하고, 개발한 소재를 활용해 시제품에 가까운 디바이스까지 연구·개발한다는 것이 우리 연구실의 특징입니다. 아울러 옹스트롬( )부터 센티미터(cm) 크기까지 광범위한 영역을 다루고, 소재에서 부품, 장비 분야를 아우르는 지식을 습득할 수 있다는 점 또한 장점입니다. 얼마 전 언론을 통해 보도된 ‘휴대형 음이온 센서’ 개발을 시작으로, 용액 속의 다양한 화학 성분을 감지하는 휴대형 IoT(Internet of Things) 기반 센서 플랫폼 개발을 활발히 진행하고 있습니다. 또 플렉시블 및 웨어러블 화학센서를 개발해 유해환경을 실시간으로 감지하는 연구도 수행 중입니다.

Q2. 교수님께서는 2019년 임명된 전임교원 중 최연소 교원이십니다. 본인 소개와 함께 연구실을 어떻게 이끌고 계신지 말씀해주세요.

A2.
저는 전자공학으로 석사학위, 신소재공학으로 박사학위를 취득했고, 화학으로 박사후연구원 경력을 쌓았습니다. 세 분야가 독립적인 학문처럼 보일 수 있지만, 화학센서를 개발하기 위해서는 모두 알아야 하는 분야에요. 운 좋게도 저는 융합적으로 학문지식을 습득하며, 학위 과정부터 현재까지 화학센서 감지 소재 및 플랫폼 개발 연구를 수행해왔습니다. 박사학위 과정 중에는 전기방사(Electrospinning) 기술을 이용한 금속산화물 나노섬유 감지 소재 개발로 총 4건의 기술이전을 경험하기도 했죠.

영광스럽게도 지난해 9월, 한양대 전임교원이 된 뒤부터 신소재공학부에서 화학센서 개발 관련 연구를 수행하고 있습니다. 올해 초 2명의 대학원생(이준석 석박통합과정, 최승호 석박통합과정)이 연구실에 합류했어요. 덕분에 센서 소재 합성 및 측정 플랫폼을 구축하며 화학 센서 개발을 위한 연구에 더욱 박차를 가하는 중입니다.

또 학부 4학년인 이호찬, 홍세훈 연구생도 센서 연구에 흥미를 두고 참여하게 돼 학생들의 동기부여와 교육에도 힘쓰고 있습니다. 지도교수로서 학생 연구원들이 올바른 가치관으로 비전을 설정하고, 긍정적인 눈으로 세상을 바라보며, 꿈을 향해 꾸준히 나아갈 수 있게 이끌고자 합니다. 그것이 지금의 제 목표입니다.
 
▲나노바이오센서 연구소 최선진 교수와 학생 연구원
 
▲ 최선진 교수와 나노바이오센서
연구실의 연구 내용이 표지논문으로
실린 국제학술지 이미지들

Q3. IoT 기술과 결합해 실시간으로 건강 상태를 체크할 수 있는 ‘휴대형 음이온 센서’를 개발하셨습니다.

A3.
휴대형 음이온 센서는 용액 속에 포함된 다양한 음이온 성분을 전기적인 신호로 측정하는 기술입니다. 2㎝, 엄지손가락 한마디 정도의 작은 면적에 3개의 센서를 집적해 다종의 음이온 성분 분석이 가능하죠. IoT 기술과 접목했기에 스마트폰 활용 시 센서에서 측정한 음이온 성분을 실시간으로 관찰할 수 있습니다.

기술의 핵심은 특정 음이온과 화학적으로 상호작용할 수 있는 ‘리셉터(receptor)’ 분자를 활용, 전기신호를 변환해낸 것입니다. 리셉터 분자는 음이온 성분과 선택적으로 결합할 수 있는 화학 분자에요. 리셉터 분자를 전기 전도도가 우수한 탄소나노튜브 표면에 기능화시킴으로써 음이온과 리셉터 간의 화학적인 상호작용을 전기적인 신호로 변환하는 데 성공했죠.

신개념의 저항변화식 센서 플랫폼(novel chemiresistive platform)으로, 눈에 보이지 않는 화학적 상호작용을 전기신호를 통해 시각화해낸 것입니다. 새로운 개념의 음이온 센서를 개발하고, 앞으로의 기술발전과 응용 가능성이 높다는 점에서 지난 2월 세계적인 국제학술지 『Advanced Functional Materials』의 표지 논문으로 선정되기도 했습니다.

Q4. ‘휴대형 음이온 센서’는 어떤 분야에 어떻게 활용될 수 있나요?

A4.
우리 몸속에는 다양한 음이온 성분이 존재하며 건강을 유지하는 데 필수적이에요. 예를 들어, 불소이온(F-)은 인체에서 뼈나 치아의 건강과 상관관계가 높으며 중탄산염(HCO3-)은 우리 몸의 산성도를 일정 수준으로 유지하는 데 도움을 줍니다. 아세테이트(CH3COO-) 음이온은 박테리아 세포의 성장 과정을 제어하는 신진대사 스위치로 알려져 있죠. 우리 몸의 유전자 정보를 전달하는 물질도 음이온이며, 건강을 위해서는 특정 음이온의 농도가 적정 수준으로 유지돼야 해요. 이 원리를 이용하면 음이온 농도로 건강 상태를 체크할 수 있습니다. 예를 들어, 땀 속의 염화이온(Cl-) 농도 측정으로 낭포성섬유증(Cysticfibrosis)이라는 질병을 진단하는 거죠.

음이온 감지는 일상생활에서 우리의 건강 상태를 모니터링할 뿐 아니라 위험한 환경으로부터 지키는 데도 매우 유용한 기술입니다. 대표적인 유해 음이온으로는 화학비료 사용 시 지하수에 스며들어 식수를 오염시키는 질산염(NO3-)과 치명적인 독성의 청산가리로 알려진 시인이온(CN-)이 있습니다.
 
▲ 휴대형 음이온 센서 및 개발 단계

Q5. 과정이 쉽지 않았을 것 같습니다. 연구나 개발 과정에서 어려움은 없었나요?

A5.
휴대형 음이온 센서는 제가 미국 MIT 화학과에서 박사후연구원으로 있을 때 처음 아이디어를 떠올린 것입니다. 초기 목적은 물속에 포함된 유해성분을 감지하는 거였죠. 당시에는 화학적인 지식이 부족해 리셉터 분자를 합성하는 시작 단계부터 난관이 많았습니다. 눈에 보이지 않는 현상들을 이해하고 해석하는 것이 가장 어려웠죠.

하루 중 15시간을 실험실에서 2만 보씩 걸으며 집중했지만, 1년 가까운 시간 동안 리셉터 합성 실패를 거듭했어요. 유기합성에 활용되는 위험한 화학약품들을 다루는 것도 매일 마주하는 고된 일 중 하나였습니다. 2년에 가까운 기간 동안 리셉터와 특정 음이온 간의 화학적인 상호작용을 규명하고, 화학적인 현상을 실시간으로 관찰 가능한 전기신호로 변환함으로써 간편하게 음이온 성분을 검출하는 플랫폼을 완성할 수 있었습니다.

Q6. 화학센서와 관련해 세계는 어떤 연구를 하고 있는지 궁금합니다.

A6.
휴대형 음이온 센서뿐만 아니라 다양한 분야에서 화학센서 연구·개발이 이뤄지고 있습니다. 대표적으로 대기 중 유해가스 성분을 감지하는 센서는 실제로 연구·개발을 거쳐 상용화까지 이룬 사례죠. 기존에는 적용하기 어려웠던, 호흡 속 가스 성분 감지로 질병을 진단하는 응용 연구도 활발하게 진행 중이에요.

아쉽게도 화학센서 소재 개발 연구는 국내보다 해외에서 더 활발한 상황입니다. 화학센서는 환경, 의료, 식품, 국방, 자동차, 우주 산업 분야에서 없어서는 안 될 필수 요소로 자리 잡아가고 있어요. 국내에서도 화학센서 소재와 부품에 대한 원천기술 확보에 주력하며, 다양한 응용 분야를 조기에 선점하려는 노력이 필요합니다.

Q7. 향후 연구실 운영 계획 및 목표에 대해 말씀해주세요.

A7.
환경에 대한 이슈가 커지고 질병 치료에 앞선 조기진단이 더욱 중요해지는 만큼, 환경과 건강 분야에 응용될 수 있는 센서 플랫폼 개발 연구에 집중하고자 합니다. 대표적인 센서는 대기 또는 수중에 존재하는 미세한 유해 화학성분을 감지하는 ‘유해환경 모니터링 센서’, 또는 체내 성분 분석을 통한 ‘건강 모니터링 센서’가 될 것입니다. 더불어 최근 이슈가 된 바이러스나 박테리아를 감지하는 바이오센서 개발로도 분야를 확장할 계획이에요. 특정 질병에 대한 임상시험도 병행해 많은 사람이 손쉽게 활용할 수 있는 건강진단 센서를 개발하고 싶습니다.

기술의 지적재산권 확보에도 심혈을 기울일 겁니다. 신소재공학을 기반으로 하는 연구자로서 화학센서 소재의 원천기술, 원천특허를 확보해 국내 센서 기술의 세계적인 경쟁력을 확보하는 데 일조하고 싶은 마음입니다.


정리
편집실 | 자료 최선진 교수(나노바이오센서연구실)
 

본 내용은 한양대 소식지 '사랑한대'의 2020년 여름호(통권 제254호)에 게재된 것입니다.
▶사랑한대 2020년 여름호(통권 제254호) 보러가기

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